基于量子同态加密的委托计算方法

1.本发明属于量子安全计算领域，具体涉及一种基于量子同态加密的委托计算方法。


背景技术：

2.随着经济技术的发展和云计算、云网络的快速发展，委托计算方案已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。
3.在目前开放的网络环境中，由于用户本身的计算能力有限，许多用户希望将自己的私密数据委托给第三方机构进行计算，同时不希望自己的私密数据暴露给第三方机构。所以，委托计算过程中的数据安全保护就显得格外重要。
4.为了保护数据不被泄露或窃听，将数据加密成密文形式，能够极大地增强委托计算过程中数据的安全性。目前，现有的经典数据加密方法，大多都采取经典的同态加密的方式。现有的经典同态加密方式，其安全性依赖于数学困难问题的计算复杂度。数学困难问题的计算复杂度越高，则同态加密的安全性越好。
5.但是，随着量子计算的快速发展，量子多项式时间算法已经能够在多项式时间内完成对现有的经典同态加密问题的破解。因此，现有的基于经典同态加密的委托计算过程，其安全性和可靠性已经受到了极大的威胁。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种可靠性高且安全性好的基于量子同态加密的委托计算方法。
7.本发明提供的这种基于量子同态加密的委托计算方法，包括如下步骤：
8.s1.客户端确定需要加密的数据信息；
9.s2.客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上，并采用玻色子采样的方式对光子进行编码，得到序列态数据；
10.s3.客户端生成密钥，并通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据，并发送到服务器端；
11.s4.服务器端根据计算需求，生成评估操作参数，并对接收到的密文态数据进行评估计算操作，并将评估计算结果发送客户端；
12.s5.客户端接收到评估计算结果后，根据生成的密钥对评估计算结果进行解密，完成基于量子同态加密的委托计算。
13.步骤s2所述的客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上，并采用玻色子采样的方式对光子进行编码，得到序列态数据，具体包括如下步骤：
14.客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上；
15.客户端采用玻色子采样的方式，将准备输入的光子编码成极化基：设定有m个输入端口，每次有n个光子输入到端口中；对于一个有m个输入端口的输入端，光子的分布采用序
列s表示，s＝(s1,s2,...,sm)，其中si表示第i个输入端口的玻色子数量且
16.n个光子被包含在一个光子序列态|ψ》中，|ψ》表示为|ψ》＝{ψ1,ψ2,...,ψi,...,ψm}，ψi为第i个输入端端口的光子数；ψi的取值为0或1，具体由玻色子采样计算机的输入决定；
17.玻色子采样计算机的初始化输入状态为|ψ》＝|11,...,1i,0
i+1
,...,0m》，|ψ》为种排列中的任何排列，由玻色子采样计算机的初始输入决定；采用m个光子将玻色子采样计算机的初始化输入状态进行编码，对于每一个端口，如果有光子则编码在水平极化h上，对应于1编码在h上；如果没有光子，则编码在垂直极化v上，对应于0编码在v上，根据此编码规则得到序列态数据为其中hi代表第i个输入端端口中存在光子，vm代表第m个输入端端口中不存在光子。
18.步骤s3所述的客户端生成密钥，并通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据，并发送到服务器端，具体包括如下步骤：
19.客户端生成密钥k为k＝{k1,k2,...,km}，其中ki∈{0,1,...,d-1}，d为旋转角度选择过程中的分度数，ki为第i个密钥的分度数；
20.客户端基于生成的密钥，通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据；加密过程表示为：
[0021][0022]
式中|ρ》为加密得到的密文态数据；d为旋转角度选择过程中的分度数；ki为第i个密钥的分度数；为张量积；为第m个将光子进行编码后的编码态；r(θ)为参数为θ的加密算子，且
[0023]
客户端将得到的密文态数据|ρ》发送到服务器端。
[0024]
步骤s4所述的服务器端根据计算需求，生成评估操作参数，并对接收到的密文态数据进行评估计算操作，并将评估计算结果发送客户端，具体包括如下步骤：
[0025]
服务器端根据计算需求，生成评估操作参数α为α＝{α1,α2,...,αm}，其中αi为第i个评估操作参数，且αi∈{0,1,...,d-1}；
[0026]
服务器根据生成的评估操作参数α，对接收到的密文态数据进行评估计算操作；评估计算操作的过程表示为：
[0027][0028]
式中|ρ'》为服务器端计算得到的评估计算结果；为参数为αi的操作算子，且
[0029][0030]
服务器端将得到的评估计算结果|ρ'》发送到客户端。
[0031]
步骤s5所述的客户端接收到评估计算结果后，根据生成的密钥对评估计算结果进行解密，完成基于量子同态加密的委托计算，具体包括如下步骤：
[0032]
客户端接收评估计算结果；
[0033]
客户端根据生成的密钥k，对评估计算结果进行解密；解密过程表示为：
[0034][0035]
式中|ψ
′
》为客户端得到的解密结果。
[0036]
本发明提供的这种基于量子同态加密的委托计算方法，将需要委托计算的数据编码到光量子上，并将光量子编码后在量子行走过程中实现量子同态加密；因此本发明方法能够使得客户端的数据以一种密文的方式进行处理，服务器在不解密密文的基础下对其进行计算处理，计算完成后客户端可再次解密计算处理好后的数据以获取计算结果；因此本发明方法保证了委托计算过程中数据的安全性，可靠性高且安全性好。
附图说明
[0037]
图1为本发明方法的方法流程示意图。
具体实施方式
[0038]
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于量子同态加密的委托计算方法，包括如下步骤：
[0039]
s1.客户端确定需要加密的数据信息；
[0040]
s2.客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上，并采用玻色子采样的方式对光子进行编码，得到序列态数据；具体包括如下步骤：
[0041]
客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上；
[0042]
客户端采用玻色子采样的方式，将准备输入的光子编码成极化基：设定有m个输入端口，每次有n个光子输入到端口中；对于一个有m个输入端口的输入端，光子的分布采用序列s表示，s＝(s1,s2,...,sm)，其中si表示第i个输入端口的玻色子数量且
[0043]
n个光子被包含在一个光子序列态|ψ》中，|ψ》表示为|ψ》＝{ψ1,ψ2,...,ψi,...,ψm}，ψi为第i个输入端端口的光子数；ψi的取值为0或1，具体由玻色子采样计算机的输入决定；
[0044]
玻色子采样计算机的初始化输入状态为|ψ》＝|11,...,1i,0
i+1
,...,0m》，|ψ》为种排列中的任何排列，由玻色子采样计算机的初始输入决定；采用m个光子将玻色子采样计算机的初始化输入状态进行编码，对于每一个端口，如果有光子则编码在水平极化h上，对
应于1编码在h上；如果没有光子，则编码在垂直极化v上，对应于0编码在v上，根据此编码规则得到序列态数据为其中hi代表第i个输入端端口中存在光子，vm代表第m个输入端端口中不存在光子；
[0045]
s3.客户端生成密钥，并通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据，并发送到服务器端；具体包括如下步骤：
[0046]
客户端生成密钥k为k＝{k1,k2,...,km}，其中ki∈{0,1,...,d-1}，d为旋转角度选择过程中的分度数，ki为第i个密钥的分度数；
[0047]
客户端基于生成的密钥，通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据；加密过程表示为：
[0048][0049]
式中|ρ》为加密得到的密文态数据；d为旋转角度选择过程中的分度数；ki为第i个密钥的分度数；为张量积；为第m个将光子进行编码后的编码态；r(θ)为参数为θ的加密算子，且
[0050]
客户端将得到的密文态数据|ρ》发送到服务器端；
[0051]
s4.服务器端根据计算需求，生成评估操作参数，并对接收到的密文态数据进行评估计算操作，并将评估计算结果发送客户端；具体包括如下步骤：
[0052]
服务器端根据计算需求，生成评估操作参数α为α＝{α1,α2,...,αm}，其中αi为第i个评估操作参数，且αi∈{0,1,...,d-1}；
[0053]
服务器根据生成的评估操作参数α，对接收到的密文态数据进行评估计算操作；评估计算操作的过程表示为：
[0054][0055]
式中|ρ'》为服务器端计算得到的评估计算结果；为参数为αi的操作算子，且
[0056][0057]
服务器端将得到的评估计算结果|ρ'》发送到客户端；
[0058]
s5.客户端接收到评估计算结果后，根据生成的密钥对评估计算结果进行解密，完成基于量子同态加密的委托计算；具体包括如下步骤：
[0059]
客户端接收评估计算结果；
[0060]
客户端根据生成的密钥k，对评估计算结果进行解密；解密过程表示为：
[0061][0062]
式中|ψ
′
》为客户端得到的解密结果。
[0063]
本发明提供的这种委托计算方法，其可以帮助用户安全地加密自己的隐私数据，并将加密后的隐私数据委派给服务器端进行计算，而且整个交互过程能够保障信息数据不被泄露。因此，本发明方法的应用场景包括于各种垂直领域：比如，依靠其安全的加密处理能力，在金融服务业中本发明方法可用于电子支付、电子投票和电子拍卖等诸多方面中，帮助规避交易过程中潜在的攻击风险；而在在智能电网中，本发明方法可用于协助电网监控系统计算各个节点的数据信息，帮助保护数据的安全完整性。

技术特征：
1.一种基于量子同态加密的委托计算方法，包括如下步骤：s1.客户端确定需要加密的数据信息；s2.客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上，并采用玻色子采样的方式对光子进行编码，得到序列态数据；s3.客户端生成密钥，并通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据，并发送到服务器端；s4.服务器端根据计算需求，生成评估操作参数，并对接收到的密文态数据进行评估计算操作，并将评估计算结果发送客户端；s5.客户端接收到评估计算结果后，根据生成的密钥对评估计算结果进行解密，完成基于量子同态加密的委托计算。2.根据权利要求1所述的基于量子同态加密的委托计算方法，其特征在于步骤s2所述的客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上，并采用玻色子采样的方式对光子进行编码，得到序列态数据，具体包括如下步骤：客户端将步骤s1得到的数据信息编码到光子上；客户端采用玻色子采样的方式，将准备输入的光子编码成极化基：设定有m个输入端口，每次有n个光子输入到端口中；对于一个有m个输入端口的输入端，光子的分布采用序列s表示，s＝(s1,s2,...,s
m
)，其中s
i
表示第i个输入端口的玻色子数量且n个光子被包含在一个光子序列态|ψ>中，|ψ>表示为|ψ>＝{ψ1,ψ2,...,ψ
i
,...,ψ
m
}，ψ
i
为第i个输入端端口的光子数；ψ
i
的取值为0或1，具体由玻色子采样计算机的输入决定；玻色子采样计算机的初始化输入状态为|ψ>＝|11,...,1
i
,0
i+1
,...,0
m
>，|ψ>为种排列中的任何排列，由玻色子采样计算机的初始输入决定；采用m个光子将玻色子采样计算机的初始化输入状态进行编码，对于每一个端口，如果有光子则编码在水平极化h上，对应于1编码在h上；如果没有光子，则编码在垂直极化v上，对应于0编码在v上，根据此编码规则得到序列态数据为其中h
i
代表第i个输入端端口中存在光子，v
m
代表第m个输入端端口中不存在光子。3.根据权利要求2所述的基于量子同态加密的委托计算方法，其特征在于步骤s3所述的客户端生成密钥，并通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据，并发送到服务器端，具体包括如下步骤：客户端生成密钥k为k＝{k1,k2,...,k
m
}，其中k
i
∈{0,1,...,d-1}，d为旋转角度选择过程中的分度数，k
i
为第i个密钥的分度数；客户端基于生成的密钥，通过加密算子将序列态数据加密，得到密文态数据；加密过程表示为：式中|ρ>为加密得到的密文态数据；d为旋转角度选择过程中的分度数；k
i
为第i个密钥
的分度数；为张量积；为第m个将光子进行编码后的编码态；r(θ)为参数为θ的加密算子，且客户端将得到的密文态数据|ρ>发送到服务器端。4.根据权利要求3所述的基于量子同态加密的委托计算方法，其特征在于步骤s4所述的服务器端根据计算需求，生成评估操作参数，并对接收到的密文态数据进行评估计算操作，并将评估计算结果发送客户端，具体包括如下步骤：服务器端根据计算需求，生成评估操作参数α为α＝{α1,α2,...,α
m
}，其中α
i
为第i个评估操作参数，且α
i
∈{0,1,...,d-1}；服务器根据生成的评估操作参数α，对接收到的密文态数据进行评估计算操作；评估计算操作的过程表示为：式中|ρ'>为服务器端计算得到的评估计算结果；为参数为α
i
的操作算子，且服务器端将得到的评估计算结果|ρ'>发送到客户端。5.根据权利要求4所述的基于量子同态加密的委托计算方法，其特征在于步骤s5所述的客户端接收到评估计算结果后，根据生成的密钥对评估计算结果进行解密，完成基于量子同态加密的委托计算，具体包括如下步骤：客户端接收评估计算结果；客户端根据生成的密钥k，对评估计算结果进行解密；解密过程表示为：式中|ψ
′
>为客户端得到的解密结果。

技术总结
本发明公开了一种基于量子同态加密的委托计算方法，包括客户端确定需要加密的数据信息，编码到光子上并采用玻色子采样的方式编码光子得到序列态数据；客户端生成密钥，加密序列态数据并发送服务器端；服务器端对接收的数据进行评估计算操作并将结果发送客户端；客户端接对计算结果解密，完成基于量子同态加密的委托计算。本发明方法能够使得客户端的数据以一种密文的方式进行处理，服务器在不解密密文的基础下对其进行计算处理，计算完成后客户端可再次解密计算处理好后的数据以获取计算结果；本发明方法保证了委托计算过程中数据的安全性，可靠性高且安全性好。可靠性高且安全性好。可靠性高且安全性好。


技术研发人员：冯艳艳 郭子成 刘思思 李彦 李洁
受保护的技术使用者：中南林业科技大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/28